一种提高铜锌铝形状记忆合金热疲劳性能的工艺方法
【专利摘要】一种提高铜锌铝形状记忆合金热疲劳性能的工艺方法，属于铜基形状记忆合金制备【技术领域】，其特征为：以Zn25-25.5wt%、Al3.5-4wt%、Ni0.8-1.0wt%、复合稀土0.2-1.0wt%、余量为铜的比例称重后在中频感应熔炼炉中熔炼。待材料全部熔化后，升温至1280℃-1300℃，浇注成直径为φ80×150mm的铸锭，退火处理是加热到820℃保温24小时后随炉冷却，然后去除表面2-3mm的脱锌层，再将铸锭在820℃保温半小时后锻打成35×35mm的棒材，最后进行两级时效的热处理。对其制备的试样进行力学性能和热疲劳性能测试。
【专利说明】一种提高铜锌铝形状记忆合金热疲劳性能的工艺方法
【技术领域】
[0001]本发明属于铜基形状记忆合金制备【技术领域】，特指一种提高铜锌铝形状记忆合金热疲劳性能的工艺方法。
【背景技术】
[0002]铜基形状记忆合金是国内外过去二十多年来积极研究和开发的新型功能材料之一，目前已在 Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Sn> Cu-Al-Ni > Cu-Al-Be> Cu-Sn-Si > Cu-Zn-Ga 等数十种铜基合金发现有良好的形状记忆效应。在铜基形状记忆合金中研究最多并已得到应用的是Cu-Zn-Al和Cu-Al-Ni合金。CuZnAl形状记忆合金作为铜基记忆合金中最具有实用价值的合金之一，由于其加工容易，塑性高，记忆性能好，价格低廉，越来越受到人们的重视。目前研究的新型高耐热铜基形状记忆合金在淬火条件下热弹性逆变温度可高达40(TC，目前该合金的改进型正用于军工研究中。根据铜基形状记忆合金产生相变宽滞后的条件研制了宽滞后记忆管接头，目前正在解决记忆管接头制备工艺问题及应用问题。但是CuZnAl形状记忆合金也存在晶粒粗大、马氏体稳定化等缺陷，要想扩大应用范围需要解决的主要问题是提高塑性，改善形状记忆效应对热循环和反复变形的稳定性等方面。
[0003]本发明开发出一种提高铜锌铝形状记忆合金热疲劳性能的工艺方法。通过变质处理、退火处理、锻打及后续热处理等一系列工艺手段，显著提高了铜锌铝形状记忆合金热疲劳性能。
【发明内容】
[0004]本发明开发出一种能提高铜锌铝形状记忆合金热疲劳性能的工艺方法，其特征为:以电解铜、锌锭O号、工业铝锭AOO号、1#电解镍、复合稀土变质剂(其中Nd 10?15wt%、La 10 ?15 wt%、Y 8 ?12wt%、Ce 8 ?12wt%、Tb 5 ?8 wt%、Gd 5 ?8 wt%、Pr+Sc+Eu+Ho+Er+Tm+Lu 为 10 ?20wt%，Zr 3 ?6wt%、Ti 2 ?5wt%、B 2 ?5wt%，余为铜)为原料。成分按 Zn25-25.5wt%、A13.5_4wt%、N1.8-1.0wt%、复合稀土变质剂 0.2-1.0wt%、余量为铜的比例称重后在中频感应熔炼炉中熔炼。熔炼工艺为:先加入预热过的电解铜、电解镍、铝锭，后加入锌锭和复合稀土变质剂，熔炼过程中要加入少量硼砂覆盖，加入量为金属液的0.15wt%。待材料全部熔化后，升温至1280°C-1300°c，浇注成直径为Φ80Χ150πιπι的铸锭。退火处理是加热到820°C保温24小时后随炉冷却，然后车削去除表面2-3mm的脱锌层，再将铸锭在840°C保温半小时后锻打成45X45mm的棒材。最后进行两级时效的热处理，即820-840°C保温I小时淬入室温机油中，然后在预先准备好的100°C沸水中保温0.5小时后取出空冷至室温，再在50°C水中保温0.5小时后取出空冷至室温。该方法制备的铜锌铝形状记忆合金的热疲劳性能得到显著提高。
[0005]将热处理后的棒材加工成国家标准试棒，室温拉伸力学性能测试在WE-10型液压式拉伸实验机上进行，经该工艺方法处理后测得记忆合金抗拉强度695.5MPa，伸长率
9.5%，布氏硬度186HB。再在棒材上取样，通过线切割加工出热疲劳试样，热疲劳试样尺寸为长40 mm、宽10 mm、高5mm，试样顶部带有V型缺口，如图1所示。采用电阻炉加热自约束热疲劳试验机进行热疲劳试验。板状试样装卡在立方卡具的四个侧面，保证每块试样的加热与冷却位置一致，通过传动装置上下垂直运动，从而达到试样加热以及冷却的自动化完成。采用设时自控，热电偶测量并控制温度，试样在室温20 0C至300 0C、400 0C、500 °C之间进行加热与冷却的热循环，采用计数器进行自动计数，调整并保持炉温准确，水温20°C (流动自来水)。快速加热试样，加热、冷却一次作为一个循环，每次循环加热时间为120s，入水冷却时间为15s，直至预定循环次数。每循环1000次，取下试样，抛光去除表面氧化膜，测量表面裂纹长度。
[0006]
【专利附图】
【附图说明】
图1热疲劳试样尺寸(单位mm)
图2不同上限温度对铜锌铝形状记忆合金热疲劳性能的影响
1- 20°C至300°C之间进行加热与冷却的热循环；
2- 20°C至400°C之间进行加热与冷却的热循环；
3- 20°C至500°C之间进行加热与冷却的热循环。
[0007]【具体实施方式】实施例1
以电解铜、锌锭O号、工业铝锭AOO号、1#电解镍、复合稀土变质剂为原料。成分按Zn25-25.5wt%、A13.5_4wt%、N1.8-1.0wt%、复合稀土变质剂 0.6-0.8wt%、余量为铜的比例称重后在中频感应熔炼炉中熔炼。熔炼工艺为:先加入预热过的电解铜、电解镍、铝锭，后加入锌锭和复合稀土变质剂，熔炼过程中要加入少量硼砂覆盖，加入量为金属液的0.15wt%。待材料全部熔化后，升温至1280°C-1300°C，浇注成直径为Φ80Χ150πιπι的铸锭。退火处理是加热到820°C保温24小时后随炉冷却，然后车削去除表面2-3mm的脱锌层，再将铸锭在840°C保温半小时后锻打成45 X 45mm的棒材。最后进行两级时效的热处理，即820_840°C保温I小时淬入室温机油中，然后在预先准备好的100°C沸水中保温0.5小时后取出空冷至室温，再在50°C水中保温0.5小时后取出空冷至室温。将热处理后的棒材加工成国家标准试棒，室温拉伸力学性能测试在WE-10型液压式拉伸实验机上进行，经该工艺方法处理后测得记忆合金抗拉强度695.5MPa，伸长率9.5%，布氏硬度186HB。再在棒材上取样，通过线切割加工出热疲劳试样，热疲劳试样尺寸为长40 mm、宽10 mm、高5mm，试样顶部带有V型缺口，如图1所示。采用电阻炉加热自约束热疲劳试验机进行热疲劳试验。板状试样装卡在立方卡具的四个侧面，保证每块试样的加热与冷却位置一致，通过传动装置上下垂直运动，从而达到试样加热以及冷却的自动化完成。采用设时自控，热电偶测量并控制温度，试样在室温20°C至300°C之间进行加热与冷却的热循环，采用计数器进行自动计数，调整并保持炉温准确,水温20°C (流动自来水)。快速加热试样,加热、冷却一次作为一个循环,每次循环加热时间为120s，入水冷却时间为15s，直至预定循环次数。每循环1000次，取下试样，抛光去除表面氧化膜，测量表面裂纹长度，试样标记为3，热疲劳性能见图2。
[0008]实施例2
以电解铜、锌锭O号、工业铝锭AOO号、1#电解镍、复合稀土变质剂为原料。成分按Zn25-25.5wt%、A13.5_4wt%、N1.8-1.0wt%、复合稀土变质剂 0.6-0.8wt%、余量为铜的比例称重后在中频感应熔炼炉中熔炼。熔炼工艺为:先加入预热过的电解铜、电解镍、铝锭，后加入锌锭和复合稀土变质剂，熔炼过程中要加入少量硼砂覆盖，加入量为金属液的0.15wt%。待材料全部熔化后，升温至1280°C-1300°C，浇注成直径为Φ80Χ150πιπι的铸锭。退火处理是加热到820°C保温24小时后随炉冷却，然后车削去除表面2-3mm的脱锌层，再将铸锭在840°C保温半小时后锻打成45 X 45mm的棒材。最后进行两级时效的热处理，即820_840°C保温I小时淬入室温机油中，然后在预先准备好的100°C沸水中保温0.5小时后取出空冷至室温，再在50°C水中保温0.5小时后取出空冷至室温。将热处理后的棒材加工成国家标准试棒，室温拉伸力学性能测试在WE-1O型液压式拉伸实验机上进行，经该工艺方法处理后测得记忆合金抗拉强度695.5MPa，伸长率9.5%，布氏硬度186HB。再在棒材上取样，通过线切割加工出热疲劳试样，热疲劳试样尺寸为长40 mm、宽10 mm、高5mm，试样顶部带有V型缺口，如图1所示。采用电阻炉加热自约束热疲劳试验机进行热疲劳试验。板状试样装卡在立方卡具的四个侧面，保证每块试样的加热与冷却位置一致，通过传动装置上下垂直运动，从而达到试样加热以及冷却的自动化完成。采用设时自控，热电偶测量并控制温度，试样在室温20°C至400°C之间进行加热与冷却的热循环，采用计数器进行自动计数，调整并保持炉温准确,水温20°C (流动自来水)。快速加热试样，加热、冷却一次作为一个循环,每次循环加热时间为120s，入水冷却时间为15s，直至预定循环次数。每循环1000次，取下试样，抛光去除表面氧化膜，测量表面裂纹长度，试样标记为2，热疲劳性能见图2。
[0009] 实施例3
以电解铜、锌锭O号、工业铝锭AOO号、1#电解镍、复合稀土变质剂为原料。成分按Zn25-25.5wt%、A13.5_4wt%、N1.8-1.0wt%、复合稀土变质剂 0.6-0.8wt%、余量为铜的比例称重后在中频感应熔炼炉中熔炼。熔炼工艺为:先加入预热过的电解铜、电解镍、铝锭，后加入锌锭和复合稀土变质剂，熔炼过程中要加入少量硼砂覆盖，加入量为金属液的0.15wt%。待材料全部熔化后，升温至1280°C-1300°C，浇注成直径为Φ80Χ150πιπι的铸锭。退火处理是加热到820°C保温24小时后随炉冷却，然后车削去除表面2-3mm的脱锌层，再将铸锭在840°C保温半小时后锻打成45 X 45mm的棒材。最后进行两级时效的热处理，即820_840°C保温I小时淬入室温机油中，然后在预先准备好的100°C沸水中保温0.5小时后取出空冷至室温，再在50°C水中保温0.5小时后取出空冷至室温。将热处理后的棒材加工成国家标准试棒，室温拉伸力学性能测试在WE-10型液压式拉伸实验机上进行，经该工艺方法处理后测得记忆合金抗拉强度695.5MPa，伸长率9.5%，布氏硬度186HB。再在棒材上取样，通过线切割加工出热疲劳试样，热疲劳试样尺寸为长40 mm、宽10 mm、高5mm，试样顶部带有V型缺口，如图1所示。采用电阻炉加热自约束热疲劳试验机进行热疲劳试验。板状试样装卡在立方卡具的四个侧面，保证每块试样的加热与冷却位置一致，通过传动装置上下垂直运动，从而达到试样加热以及冷却的自动化完成。采用设时自控，热电偶测量并控制温度，试样在室温20°C至500°C之间进行加热与冷却的热循环，采用计数器进行自动计数，调整并保持炉温准确,水温20°C (流动自来水)。快速加热试样，加热、冷却一次作为一个循环,每次循环加热时间为120s，入水冷却时间为15s，直至预定循环次数。每循环1000次，取下试样，抛光去除表面氧化膜，测量表面裂纹长度，试样标记为1，热疲劳性能见图2。
【权利要求】
1.一种能提高铜锌铝形状记忆合金热疲劳性能的工艺方法，其特征为:以电解铜、锌锭O号、工业铝锭AOO号、1#电解镍、复合稀土变质剂，其中Nd 10?15wt%、La 10 ?15 wt %、Y 8 ?12wt %、Ce 8 ?12wt %、Tb 5 ?8 wt%、Gd 5 ?8 wt%、Pr+Sc+Eu+Ho+Er+Tm+Lu 为 10 ?20wt%，Zr 3 ?6wt%、Ti 2 ?5wt%、B 2 ?5wt%，余为铜，为原料；成分按 Zn25-25.5wt%、A13.5_4wt%、N1.8-1.0wt%、复合稀土 0.2-1.0wt%、余量为铜的比例称重后在中频感应熔炼炉中熔炼；熔炼工艺为:先加入预热过的电解铜、电解镍、铝锭，后加入锌锭和复合稀土变质剂，熔炼过程中要加入少量硼砂覆盖，加入量为金属液的0.15wt% ;待材料全部熔化后，升温至1280°C -1300°c，浇注成直径为Φ 80 X 150mm的铸锭；退火处理是加热到820°C保温24小时后随炉冷却，然后车削去除表面2-3mm的脱锌层，再将铸锭在840°C保温半小时后锻打成45X45mm的棒材；最后进行两级时效的热处理，即820-840°C保温I小时淬入室温机油中，然后在预先准备好的100°C沸水中保温0.5小时后取出空冷至室温，再在50°C水中保温0.5小时后取出空冷至室温；将热处理后的棒材加工成国家标准试棒，室温拉伸力学性能测试在WE-10型液压式拉伸实验机上进行，经该工艺方法处理后测得记忆合金抗拉强度695.5MPa，伸长率9.5%，布氏硬度186HB ;再在棒材上取样,通过线切割加工出热疲劳试样,热疲劳试样尺寸为长40 mm、宽10 mm、高5mm，试样顶部带有V型缺口 ；采用电阻炉加热自约束热疲劳试验机进行热疲劳试验；板状试样装卡在立方卡具的四个侧面，保证每块试样的加热与冷却位置一致，通过传动装置上下垂直运动，从而达到试样加热以及冷却的自动化完成；采用设时自控，热电偶测量并控制温度，试样在室温20 V至300 V、400 V、500 V之间进行加热与冷却的热循环，采用计数器进行自动计数，调整并保持炉温准确，流动自来水水温20°C ;快速加热试样,加热、冷却一次作为一个循环，每次循环加热时间为120s，入水冷却时间为15s，直至预定循环次数，每循环1000次，取下试样，抛光去除表面氧化膜，测量表面裂纹长度。
2.根据权利要求1所述一种能提高铜锌铝形状记忆合金热疲劳性能的工艺方法，复合稀土变质剂加入量为0.6-0.8wt%时，制备的铜锌铝形状记忆合金在室温20°C至400°C及以下进行冷热循环时热疲劳性能优异。
3.根据权利要求1所述一种能提高铜锌铝形状记忆合金热疲劳性能的工艺方法，退火处理是加热到820°C保温24小时后随炉冷却，然后车削去除表面2-3mm的脱锌层，再将铸锭在840°C保温半小时后锻打成45 X 45mm的棒材时，制备的铜锌铝形状记忆合金在室温20°C至400°C及以下进行冷热循环时热疲劳性能优异。
4.根据权利要求1所述一种能提高铜锌铝形状记忆合金热疲劳性能的工艺方法，进行两级时效的热处理，即820-840°C保温I小时淬入室温机油中，然后在预先准备好的100°C沸水中保温0.5小时后取出空冷至室温，再在50°C水中保温0.5小时后取出空冷至室温时，制备的铜锌铝形状记忆合金在室温20°C至400°C及以下进行冷热循环时热疲劳性能优异。
【文档编号】C22F1/08GK104233130SQ201310230572
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年6月12日 优先权日:2013年6月12日
【发明者】王文华, 李晓薇, 司松海, 刘光磊, 杨嵩 申请人:镇江忆诺唯记忆合金有限公司